Signalintegritet

Integritet af signaler ( eng. Signal Integrity ) - tilstedeværelsen af tilstrækkelig til fejlfri transmission af kvalitative karakteristika af et elektrisk signal .

Generel information

Ethvert digitalt signal er i sagens natur analogt, det vil sige, det er repræsenteret af spændings- (eller strømdiagrammer ) af en bestemt form. Naturligvis kan formen af et analogt signal ændres på grund af virkningerne af støj, ikke-lineær forvrængning, krydstale, refleksioner og så videre. Når der sendes signaler over korte (i betydningen elektrisk længde) afstande og ved lav informationshastighed, påvirker disse effekter ikke pålideligheden af transmitteret og modtaget information. Ved at øge transmissionshastigheden eller øge længden af transmissionsvejen (det vil sige ved at øge den elektriske længde), kan forskellige effekter forvrænge signalet i en sådan grad, at den transmitterede information vil blive modtaget med fejl. En signalintegritetsingeniørs arbejde kan opdeles i to faser. Den første er signalintegritetsanalyse, det vil sige at identificere de selvsamme effekter, der fører til signalforvrængning. Den anden fase er kampen mod disse fordrejninger.

Historie

For at beskrive historien om udviklingen af signalintegritet som en gren af radioteknik, kan man henvise til kronologien foreslået af Douglas Brooks:

1. etape. Generelt er der ingen ideer om integriteten af signalerne, da der ikke er nogen problemer med transmissionen.
2. etape. Der er problemer med parasitære induktanser.
3. etape. Der er problemer forårsaget af, at modstanden ikke længere kan betragtes som en konstant, men dens afhængighed af frekvens skal tages i betragtning.
4. etape. Der opstod problemer med kritiske længder (elektriske), der blev så korte, at det var ekstremt svært at løse problemerne, selvom de var kendte.

Teoretisk grundlag

Den grundlæggende videnskab for specialet Signalintegritet er for det meste teorien om elektromagnetisme . Teorien om elektromagnetisme bygger på Maxwells ligninger , som han skrev ned i 1873. Når man studerer integriteten af signaler, bruges den intuitive differentialform af ligninger oftest. Om nødvendigt kan ligningernes integralform også bruges.

$\nabla \times {\overrightarrow {E}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {B}}}{\partial {t}}}=0,\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;$ Faradays lov

$\nabla \times {\overrightarrow {H}}={\overrightarrow {J}}+{\frac {\partial {\overrightarrow {D}}}{\partial {t}}},\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ Ampères lov

$\nabla \cdot {\overhøjrepil {D}}=\rho ,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \;\;\;\;\;\;\;$ Gauss lov

$\nabla \cdot {\overhøjrepil {B}}=0,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\ ;\;\;\;\;\;\;$ Gauss' lov for magnetisme

hvor

${\overrightarrow {E}}=[V/m]-\;\;\;\;$ Elektrisk feltstyrke (i SI - [V/m])

${\overrightarrow {H}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Magnetisk feltstyrke (SI - [A/m])

${\overrightarrow {B}}=[Wb/m^{2}]-\;\;\;\;$ Magnetisk induktion (i SI-systemet - [Wb/m 2 ])

${\overrightarrow {D}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Elektrisk induktion (i SI-systemet - [C / m 2 ])

${\overrightarrow {J}}=[A/m^{2}]-\;\;\;\;$ Elektrisk strømtæthed (i SI-systemet - [A/m 2 ])

$\rho =[C/m^{3}]-\;\;\;\;$ Ekstern elektrisk ladningstæthed (i SI-systemet - [C / m 3 ])

Til gengæld er magnetfeltstyrken og magnetisk induktion relateret af forholdet:

${\overrightarrow {H}}={\frac {\overrightarrow {B}}{\mu _{0}}}-{\overrightarrow {M}}$

hvor

${\overrightarrow {M}}=[A/m]-\;\;\;\;$ Magnetisering (i SI - [A/m])

$\mu _{0}=4\pi \times 10^{-7}[H/m]-\;\;\;\;$ magnetisk konstant (i SI - [H/m])

Elektrisk induktion og elektrisk feltstyrke er relateret af forholdet:

${\overrightarrow {D}}=\varepsilon _{0}{\overrightarrow {E}}+{\overrightarrow {P}}$

hvor

${\overrightarrow {P}}=[C/m^{2}]-\;\;\;\;$ Polarisationsvektor (i SI-system - [C / m 2 ])

$\varepsilon _{0}=1/(\mu _{0}c^{2})\ca. 8,85\ gange 10^{-12}\ gange 10^{-7}[F/m]- \;\;\;\;$ elektrisk konstant (i SI - [F/m])

$c=299792458[m/s]-\;\;\;\;$ Lyshastighedskonstant (i SI - [m/s])

Signalintegritetsanalyse

Analyse af integriteten af signaler kan opdeles i 3 trin - analyse af chipchippen, chippakken , printpladen . Problemerne, der opstår på disse stadier, er ofte ens, men der er en række grundlæggende funktioner, som ikke tillader effektiv analyse af en chip, pakke og printkort inden for en enkelt CAD ( EDA ), men førende CAD-udviklere arbejder på at integrere disse processer. I dag er det mest almindeligt at analysere matricen og pakken separat, og derefter importere analysedataene i form af IBIS adfærdsmodeller til CAD til PCB-analyse. Det skal bemærkes, at med en sådan designrute er det umuligt nøjagtigt at analysere alle de problemer, der kan opstå i krystallen og i pakken, især når mikrokredsløbet interagerer med det trykte kredsløb (på grund af den ikke-ideelle jording og strømsystemer, mulige pickupper fra andre mikrokredsløb på tavlen), men at opnå præcise krystalmodeller på transistorniveau, såsom SPICE - modeller, er oftest umuligt, da dette er en forretningshemmelighed for producenten. I det tilfælde, hvor en chipproducent forsøger at teste sine egne chips i færdige produkter, står han over for problemet med behovet for at bruge enorme computerressourcer. På hvert af disse stadier kan signalintegritetsanalyse opdeles i pre-layout og post-layout analyse.

Pretopologisk analyse

Præ-topologisk analyse omfatter en foreløbig undersøgelse af systemet for tilstedeværelsen af signalintegritetsproblemer i det, det vil sige en undersøgelse, når de nøjagtige geometriske dimensioner af systemet og den nøjagtige relative position af systemkomponenterne endnu ikke er kendt. For at udføre en sådan analyse har CAD-systemer et sæt standardelementer: transmissionslinjer, konnektorer, klumpede elementer (kondensatorer, induktorer, modstande), vias og så videre. Typisk udføres pre-layout-analyse for at se efter problemer med signalintegritet i pakker og printkort.

Post-topologisk analyse

Posttopologisk analyse omfatter den mest komplette undersøgelse af systemet for signalintegritetsproblemer, idet der tages hensyn til den faktiske routing, geometriske dimensioner og positioner af komponenter og den relative position af komponenter. Det er værd at bemærke endnu en gang, at modellering af hele systemet ofte er en uløselig opgave på grund af manglen på nødvendige data og manglende evne til at bruge for store computerressourcer (inklusive tidsressourcer). Signalintegritetsingeniørens opgave er at finde en rimelig forenkling og modellere det tilsvarende kredsløb, så fejlen ikke overstiger den angivne. For hvert projekt bestemmes en sådan fejl individuelt. Moderne CAD-systemer forsøger at fjerne dette problem fra udviklere så meget som muligt og automatisere det.

Større signalintegritetsproblemer

Signalintegritet på datalinjer

Det elektriske signal, der forlader senderen, forplantet i transmissionslinjen, skal genkendes korrekt ved modtagerens indgang. Dens form, spændingsniveauer, timing skal nøjagtigt matche signalstandarden. Opgaven med at opretholde integriteten af signalet i transmissionslinjen forudsætter bevarelsen af den oprindelige form af spændingen, som transmissionslinjen eller eksterne påvirkninger kun kan ændre, krænker den oprindelige integritet. Transmissionslinjen er generelt udbredelsesmediet. Det er vigtigt at forstå, at en kablet transmissionslinje omfatter alle elementer mellem senderens output og modtagerens input. Nemlig printkortledere, forbindelsesledninger mellem printkort og blokkonnektorer, stikkontakter, både print-til-kort og instrumentelle, elektriske kabler. For at opnå en homogen transmissionslinje (det er i den, at signalet vil forplante sig til maksimale afstande uden refleksioner), ved hvert kryds mellem disse elementer, er det nødvendigt at matche bølgeimpedansen. Den karakteristiske impedans af transmissionslinjen for enkeltlinjer kan have standardværdier på 50,75 ohm. For differentielle transmissionslinjer kan værdien af differentialbølgeimpedansen være 90, 100, 120 ohm. Bølgemodstand kan have andre betydninger. Det er vigtigt, at denne modstand ikke ændrer sig brat i hele transmissionslinjen. Med en skarp ændring i bølgemodstanden opstår der inhomogeniteter, som er årsag til refleksioner. Kopier af signalet reflekteret fra inhomogeniteter påvirker dets originale og fører til dets forvrængning. Til vurdering af refleksionsgraden anvendes begrebet refleksionskoefficient. Det viser, hvor meget af signalenergien, der reflekteres fra inhomogeniteten, baseret på forskellen i modstand på stedet for inhomogeniteten. Hvis linjen matches, er refleksionskoefficienten nul. Denne tilstand kaldes rejsebølgetilstanden og opnås, når transmitterens udgangsimpedans er lig med belastningsimpedansen. Hvis linjen ikke er matchet, har reflektansen en maksimal værdi på -1. Denne tilstand kaldes stående bølgetilstand og opnås i fravær af belastning (tomgangstilstand). I kortslutningstilstanden kan belastningsmodstanden tages lig med nul, og reflektionskoefficienten vil være lig med 1. For at matche impedanser bruges forskellige matchningsmetoder: serie, parallel, kombineret, Thevenin-skema osv. Hvis problemet med transmissionslinjeens ensartethed er løst, den anden ting, der kræves for at opretholde integritetssignalet, for at give en sådan amplitude-frekvenskarakteristik for transmissionslinjen, som vil tillade at transmittere alle væsentlige komponenter i signalspektret. Disse er enten de første fem harmoniske eller frekvensbåndet bestemt af pulsens stigning/faldhastighed. Hvis transmissionslinjens frekvensgang ikke har nogen dips, roll-off i både lave og høje frekvenser, resonansstigninger og lokale bursts, vil alle komponenter i signalspektret blive transmitteret uden forvrængning, og bølgeformen vil ikke blive forstyrret. Fronten og recessionen vil forblive monotone, og impulsområdet vil forblive fladt. Hvis det andet problem også er løst - og transmissionslinjens frekvensrespons er ensartet, er det tilbage at løse det tredje problem. Beskyt signalet mod påvirkning af eksterne signaler, krydstale, strøm og jordstøj. Hvis den tredje opgave også løses, vil signalintegriteten ved modtagerindgangen blive bevaret. Det er vigtigt at forstå, at opgaven med at opretholde integriteten af signaler er relevant ikke kun for signaler i mikrobølgeområdet, men også for lavfrekvente signaler med en høj pulsstignings-/faldhastighed.

Systembåndbredde

Sektionen af radioteknik "Signalintegritet" dukkede op relativt for nylig, især i russisk videnskab og teknik. Som et resultat er signalintegritetsingeniører oftest tidligere mikrobølgeingeniører . Som følge heraf er der ofte en misforståelse af begrebet "båndbredde" for et digitalt signal. Ethvert digitalt signal er karakteriseret ved dets datahastighed. Betragt for eksempel et vilkårligt pseudo-tilfældigt digitalt signal, der transmitteres med en hastighed på 1000 Mbps. Betyder det, at signalspektret også ligger i frekvensområdet op til 1 GHz? Svaret på spørgsmålet kan gives ved en spektralanalyse udført ved hjælp af Fast Fourier Transform ( FFT / FFT) værktøjet. Figuren viser , at signalets spektrum er meget bredere end dets clock-frekvens, og den øvre grænse svarer til "break"-frekvensen, som bestemmes af signalfrontens stejlhed. Denne frekvens bestemmes af formlen:

${\displaystyle F_{knæ}={\frac {1}{2T_{r))))$ ,

hvor er frontens stige (fald) tid . $T_{r}$

Refleksioner

Refleksion - fænomenet med tilbagevenden af en del af energien fra bølgen tilbage til transmissionslinjen med en uovertruffen belastning. Belastningen er tilpasset, hvis komplekse impedans er lig med linjens komplekse bølgeimpedans. Jo større forskellen mellem disse to impedanser er, jo større vil refleksionen være. Fænomenet refleksion bliver mærkbart, når den elektriske længde øges (det vil sige, når længden af fronten og længden af linjen bliver sammenlignelige). De to begrænsende tilfælde af en inkonsistent linje er en forkortet linje og en åben linje. $(Z_{0}=0)$ $(Z_{0}\rightarrow \infty )$

Linjeimpedans

Bølgeimpedans er den modstand, som en elektromagnetisk bølge møder, når den forplanter sig langs en ensartet linje uden refleksioner. Defineret som forholdet mellem den indfaldende bølgespænding og den indfaldende bølgestrøm:

$Z_{0}={\frac {U_{\Pi }}{I_{\Pi }}}$ .

For trykte ledere afhænger linjens bølgeimpedans af dens bredde og afstanden til referencelaget (jord eller effekt). Den karakteristiske impedans af printede ledere varierer normalt i området fra 50 til 75 ohm (der kan være afvigelser både op og ned, men dette kan være forbundet med en eller anden højt specialiseret opgave).

Kortslutning Åben linje Aftalt linje

Tab i transmissionsledninger

Ohmiske tab

Ohmiske tab i transmissionsledninger er forårsaget af ufuldkommenhed af de anvendte ledere, som har en endelig ledningsevne (ledningsevne af kobber S/m). Da ledere har en meget specifik tykkelse i PCB-fremstilling (18 µm for signalledere og 36 µm for jord- og effektlag), kan ohmsk modstand let beregnes, hvis værdien af resistivitet pr. kvadrat er kendt. For kobberledere med en tykkelse på 18 µm er denne værdi ca. 1 mΩ/kvadrat. For eksempel ville en leder på 200 µm bred og 20 mm lang have en modstand på 100 mΩ. Den samme modstand vil have en leder 100 mikron bred og 10 mm lang (da begge ledere har et "areal" på 100 kvadrater). ${\displaystyle 5.7\cdot 10^{7))$

Overfladeeffekt

For hver elektrisk parameter bør det frekvensområde, hvori det er anvendeligt, tages i betragtning. Dette gælder også for serieaktiv modstand. Jævnstrøm og lavfrekvent strøm er jævnt fordelt i tværsnittet, det vil sige, at strømtætheden er den samme både i midten af lederen og ved overfladen. Ved høje frekvenser stiger strømtætheden nær overfladen af lederen og falder til næsten nul i midten. Det er blevet fastslået, at under påvirkning af overfladeeffekten falder strømtætheden eksponentielt langs radius fra lederens overflade til dens centrum. Det er klart, at med en sådan fordeling vil den effektive modstand af lederen ved høje frekvenser stige. Tykkelsen af laget (hudlaget), hvori strømmen vil flyde, afhænger af frekvensen:

$s=\left({\frac {2\rho }{\omega \mu }}\right)^{\frac {1}{2}}$ ,

hvor er lederens resistivitet, er frekvensen (i radianer pr. sekund), er lederens absolutte magnetiske permeabilitet. $\rho$ $\omega$ $\mu$

Dielektriske tab

En tabsfri bølge kan kun forplante sig i et vakuum. Tab forekommer i ethvert rigtigt dielektrikum. Størrelsen af disse tab afhænger af typen af dielektrikum og frekvens og bestemmes af den dielektriske tabsfaktor. Jo højere dielektriske tab er, jo stærkere er dæmpningen af signalet under udbredelsen. Specifikationerne for materialet angiver normalt ikke tabsfaktoren, men tabstangensen. Overvej en ideel kondensator for nemheds skyld. Strømvektoren i en sådan kondensator fører spændingsvektoren 90°. Hvis der opstår tab i lederen, så forskydes vinklen med en mængde δ, kaldet tabsvinklen. Tangensen af denne vinkel er registreret i specifikationen for materialet. Nogle gange bruger de det gensidige af tabstangensen og kalder kvalitetsfaktoren:

$Q={\frac {1}{\mathrm {tg} (\delta )\,))$

Standardtabstangensen for FR-4-materiale er 0,025.

Crosstalk

Krydstale er fænomenet med udseendet af et signal i en leder, når det udsættes for tilstødende ledere. I moderne digitale enheder kan dette fænomen ikke undgås, men det kan minimeres. Når man taler om crosstalk, introduceres to udtryk - aggressor og offer. Aggressoren er dirigenten, som påvirkningen påføres, og offeret er dirigenten, hvorfra responsen af denne påvirkning fjernes. I et rigtigt kredsløb, når forskellige buffere konstant skiftes, er enhver leder både en aggressor og et offer på samme tid. For at studere krydstale påføres en lav eller høj spænding til offeret, og en bugtende eller en pseudo-tilfældig sekvens, med givne niveauer af logisk "0" og "1", stignings- og faldhastighederne for fronterne, og også med en given clock-frekvens anvendes på aggressorerne.

Strømstøj

Samtidig koblingsstøj

Jitter

Se " Jitter "

Signalintegritetsmål

Ansøgning

Se også

Litteratur

Bogatin Erik. Signalintegritet - Forenklet. - Prentice Hall PTR, USA 2003. ISBN: 0-13-066946-6
Brooks Douglas. Signalintegritetsproblemer og printkortdesign. - Prentice Hall PTR, USA 2003. ISBN: 0-131-41884-X
Howard Johnson, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic ISBN 0133957241
- G. Johnson, M. Graham, Design af højhastigheds digitale enheder. Begynderkursus i sort magi
Howard Johnson, Martin Graham. Højhastighedssignaludbredelse: avanceret sort magi . - Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall PTR , 2002. - ISBN 0-13-084408-X .
- G. Johnson Højhastigheds digital datatransmission: det højeste forløb af sort magi

Signalintegritet

Generel information

Historie

Teoretisk grundlag

Signalintegritetsanalyse

Pretopologisk analyse

Post-topologisk analyse

Større signalintegritetsproblemer

Signalintegritet på datalinjer

Systembåndbredde

Refleksioner

Tab i transmissionsledninger

Crosstalk

Strømstøj

Samtidig koblingsstøj

Jitter

Signalintegritetsmål

Ansøgning

Se også

Litteratur

Links